(57)【要約】【課題】ＮＯXやパティキュレートの排出量の増大を生じることなくディーゼルエンジン排気中の煤を除去する。【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気を酸化触媒５に導き、排気中のＮＯをＮＯ2に転換する。次いで、パティキュレートフィルタ７で排気中の煤を捕集するとともに、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、捕集した排気中のＮＯ2と煤とを反応させて煤を燃焼させる。また、反応により生成したＮＯはパティキュレートフィルタ下流側に配置したＮＯX吸収剤９に吸収させて排気から除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の排気浄化方法であって、
機関排気中の一酸化窒素を酸化して排気中に二酸化窒素を生成する工程と、
機関排気中の煤をパティキュレートフィルタを用いて捕集する工程と、
生成された排気中の二酸化窒素とパティキュレートフィルタに捕集した煤とを反応させることにより煤を燃焼させるパティキュレートフィルタの再生操作時に、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、排気中に一酸化窒素を生成する工程と、
上記排気中に生成された一酸化窒素を、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し、排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸収剤を用いて排気から除去する工程と、
を備えたディーゼル機関の排気浄化方法。
【請求項２】
前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項１に記載の排気浄化方法。
【請求項３】
前記再生操作中に、前記ＮＯX吸収剤から吸収したＮＯXを放出させるべきときには排気空燃比を更に低下させてリッチ空燃比にする請求項１または２に記載の排気浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル機関の排気浄化方法に関し、詳細には排気中に含まれる煤と窒素酸化物との両方を除去可能な排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気中の煤を除去する方法の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
同公報の方法は、機関排気系に酸化触媒と、その下流側に排気微粒子捕集用のフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ、以下「ＤＰＦ」と称する）とを配置し、上流側の酸化触媒で排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ2（二酸化窒素）を生成し、下流側のＤＰＦで排気中の煤を捕集するとともに、この捕集された煤を酸化触媒で生成したＮＯ2を用いて燃焼させることにより、ＤＰＦ上の煤を除去している。
【０００３】
従来、ＤＰＦ上の煤を通常の方法で燃焼させるためには、かなりの高温が必要とされていた。これに対して、上記公報の方法ではＮＯ2と煤とを反応させることにより、ディーゼルエンジンの通常の排気温度（例えば３００℃以下）で煤の燃焼を生じさせることが可能となる。このため、煤の燃焼用に特別な加熱手段等を設ける必要がなく、簡易な装置で排気中の煤を除去することが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−３１８７１５号公報
【特許文献２】特開平６−３１７１４３号公報
【特許文献３】特開平６−１１７２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記公報の方法では、排気中の煤を簡易に除去することはできるものの、排気中の窒素酸化物の大気放出を防止し得ないという問題がある。
すなわち、ＮＯ2は煤を構成するカーボンと、
ＮＯ2＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ、及び２ＮＯ2＋２Ｃ→Ｎ2＋２ＣＯ2
の反応を生じて煤を燃焼させる。しかし、本出願人の研究によれば、ディーゼルエンジンの通常の排気程度の比較的低い温度領域では、上記２ＮＯ2＋２Ｃ→Ｎ2＋２ＣＯ2の反応はほとんど生じず、ＤＰＦに流入する排気中のＮＯ2の大部分はＮＯ2＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯの反応によりＮＯに転換されてしまうことが判明している。このため、上記公報の方法で排気中の煤を処理するとＮＯが排気とともに大気に放出されてしまう問題が生じる。
【０００６】
また、ディーゼル燃料は比較的多量の硫黄分を含んでいるが、この燃料中の硫黄はエンジンで燃焼して排気中にＳＯ2成分を生成する。ところが、上記公報のように、酸化触媒を用いて排気中のＮＯをＮＯ2に酸化していると排気中のＳＯ2成分も同時に酸化されて排気中にＳＯ3（サルフェート）が生成されてしまう問題がある。
【０００７】
排気中のサルフェートは、ＤＰＦには捕集されずそのままＤＰＦ下流側に流出し、ディーゼル排気微粒子（ディーゼルパティキュレート）として検出される。このため、上記特許文献１の方法では、酸化触媒で生成されたサルフェートのためにＤＰＦを通過する排気中のパティキュレートの量が増大してしまう問題が生じる。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決しＮＯやパティキュレートの大気放出量の増大を生じることなく、ＤＰＦに捕集された煤を簡易に処理する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、ディーゼル機関の排気浄化方法であって、機関排気中の一酸化窒素を酸化して排気中に二酸化窒素を生成する工程と、機関排気中の煤をパティキュレートフィルタを用いて捕集する工程と、生成された排気中の二酸化窒素とパティキュレートフィルタに捕集した煤とを反応させることにより煤を燃焼させるパティキュレートフィルタの再生操作時に、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、排気中に一酸化窒素を生成する工程と、上記排気中に生成された一酸化窒素を、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し、排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸収剤を用いて排気から除去する工程と、を備えたディーゼル機関の排気浄化方法が提供される。
【００１０】
再生操作実行時に排気温度を上昇させることにより、パティキュレートフィルタに捕集された煤は、排気中の二酸化窒素と反応しやすくなりパティキュレートフィルタで効率的に燃焼し除去される。また、煤と二酸化窒素との反応により二酸化炭素と一酸化窒素とが生成するが、本発明では、生成された一酸化窒素は、その後の工程で排気から除去されるため二酸化窒素の大気への放出が生じない。
請求項２に記載の発明によれば、前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項１に記載の排気浄化方法が提供される。
すなわち、請求項２に記載の発明ではパティキュレートフィルタの生成操作時に排気空燃比がリーン空燃比の範囲内で低下（リッチ空燃比方向に変化）させられる。空燃比が低下すると排気中に含まれる未燃燃料やＨＣ、ＣＯ成分の量が増大する。この場合、酸化触媒などにより排気中の一酸化窒素酸化して排気中に二酸化窒素を生成している場合には、酸化触媒で未燃燃料やＨＣ、ＣＯ成分が燃焼するため排気温度が上昇し、効率的にパティキュレートフィルタ上で煤と二酸化窒素とを反応させることができるようになる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、前記再生操作中に、前記ＮＯX吸収剤から吸収したＮＯXを放出させるべきときには排気空燃比を更に低下させてリッチ空燃比にする請求項１または２に記載の排気浄化方法が提供される。
すなわち、請求項３に記載の発明では、再生操作中に排気空燃比をリッチ空燃比にしてＮＯX吸収剤から吸収したＮＯXを放出させることにより、ＮＯX吸収剤には高温かつリッチな排気が流入するようになるため、ＮＯX吸収剤から吸収したＮＯXのみならずＳＯXをも放出させることができる。これにより、本発明ではＮＯX吸収剤が吸収したＳＯXで飽和してしまうことを効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
各請求項にに記載の発明によれば、ディーゼルエンジン排気中のＮＯをＮＯ2に転換し、次いで排気温度を上昇させた状態で、捕集した排気中の煤とＮＯ2とを反応させて煤を燃焼するとともに、この燃焼により生じたＮＯを排気から除去するようにしたことにより、ＮＯXやパティキュレートの大気放出を防止しながら排気中の煤を効果的に除去することが可能となるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化方法を実施するための装置の構成を示す図である。図１において、１はディーゼルエンジン（図には１気筒のみの断面を示す）、２はエンジン１の吸気通路、３は排気通路、４はエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁をそれぞれ示している。
【００１４】
また、本実施形態では、吸気通路２には、吸気絞り弁６が設けられている。吸気絞り弁６は、バタフライ弁等の開弁時に吸気抵抗の少ない形式とされ、後述のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の煤燃焼時に吸気通路２を絞り、エンジン１に供給される吸気量を減少させる。このように、吸気絞り弁６を設けて、エンジン１の吸入空気量を減少させることにより、エンジン排気温度を上昇させることができるためＤＰＦ上の煤の燃焼が容易になる。６ａはＥＣＵ２０からの制御信号により吸気絞り弁６を開閉駆動する、負圧アクチュエータ、ソレノイドなどの適宜な形式のアクチュエータである。
【００１５】
また、図１に示すように本実施形態では、エンジン１の排気通路３には上流側から、排気中のＮＯを酸化してＮＯ2を生成する酸化触媒５、排気中の煤を捕集するＤＰＦ７、排気中のＮＯXを吸収するＮＯX吸収剤９がそれぞれ配置されている。これらの要素については後に説明する。
図１に２０で示すのはエンジン制御回路（ＥＣＵ）２０である。ＥＣＵ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）２１、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２２、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）２３、入力ポート２４、出力ポート２５を互いに双方向性バス２６で接続した公知の構成のディジタルコンピュータからなり、エンジン１の燃料噴射制御などの基本制御を行うほか、本実施形態ではＤＰＦ７で捕集した煤の燃焼（以下「ＤＰＦの再生」という）とＮＯX吸収剤９の再生操作を制御している。これらの制御のために、ＥＣＵ２０の入力ポート２４には、エンジン回転数、アクセル開度等の信号が、それぞれ図示しないセンサから入力されている。
【００１６】
また、ＥＣＵ２０の出力ポート２５は図示しない駆動回路を介して、エンジン１の燃料噴射弁４と吸気絞り弁６のアクチュエータ６ａにそれぞれ接続され、エンジンの燃料噴射量及び噴射時期、ＤＰＦの再生操作時の吸気絞り弁６の作動をそれぞれ制御している。
酸化触媒５は、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナの触媒担持層をコーティングにより形成し、この担持層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ等の触媒成分を担持させたものが使用される。酸化触媒５は、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに排気中のＨＣ、ＣＯ成分を酸化するとともに、排気中に含まれるＮＯ成分を酸化してＮＯ2成分を生成する。なお、本明細書では排気系のある部分より上流側に供給された空気量と燃料量との比を、その部分における排気空燃比と称する。すなわち、排気通路に二次空気や燃料が供給されていない場合には、排気系の各部分における排気空燃比は機関の燃焼空燃比（燃焼室内の燃焼における空気と燃料との比）に等しくなる。
【００１７】
また、本実施形態では、酸化触媒５の上流側端面には、排気温度が低いエンジン始動直後の状態等で酸化触媒５を加熱して触媒反応を開始させるための電気ヒータ５ａが設けられている。電気ヒータ５ａのリレー（図示せず）にはＥＣＵ２０の出力ポート２５からの制御信号が入力されており、ＥＣＵ２０により電気ヒータ５ａのＯＮ、ＯＦＦが制御される。後述するように、このヒータ５ａは吸気絞り弁６とともに、ＤＰＦ７再生時に排気温度を上昇させるためにも使用される。
【００１８】
また、ＤＰＦ７は多数の排気通路が互いに平行に形成されたコージェライト製のハニカムフィルタが使用される。ＤＰＦ７内の排気通路は、上流側端部と下流側端部とが閉鎖されたものが交互に配列されており、排気は上流側端部が開放された排気通路内に流入し、排気通路間を隔てる多孔質の壁面から下流側端部が開放された排気通路に流入して下流側に流出する。このため、壁面通過時に排気中の煤等の微粒子が排気壁面に捕集される。また、本実施形態では捕集した煤の、ＮＯ2による燃焼が容易に生じるようにするため、ＤＰＦ７の壁面には白金Ｐｔを担持させたアルミナ層が形成されている。
【００１９】
次に、本発明に使用するＮＯX吸収剤９について説明する。
ＮＯX吸収剤９としては、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナ等の担持層を形成し、この担持層上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮa 、リチウムＬi 、セシウムＣs のようなアルカリ金属、バリウムＢa , カルシウムＣa のようなアルカリ土類、ランタンＬa 、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐt のような貴金属とを担持したものを使用する。ＮＯX吸収剤９は流入する排気の空燃比がリーンの場合にはＮＯXを吸収し、酸素濃度が低下するとＮＯXを放出するＮＯXの吸放出作用を行う。
【００２０】
例えば、担持層上に白金Ｐｔ、バリウムＢａを担持させたものに例をとって説明すると、排気空燃比がリーンのときには、機関排気中のＮＯX（窒素酸化物）の大部分を占めるＮＯは、白金Ｐｔ上に付着したＯ2-またはＯ2-などにより酸化されて硝酸イオンＮＯ3-を生成する。次いで、この硝酸イオンＮＯ3-が酸化バリウムＢａＯと結合しながらＢａＯ内に拡散するため、排気中のＮＯは硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯX吸収剤９内に吸収される。また、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると、流入排気中の酸素濃度が低下して白金Ｐｔ上でのＮＯ2の生成量が減少する。これにより反応は上記とは逆にＮＯ3-→ＮＯ2の方向に進み、ＢａＯ内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形で放出される。すなわち、流入排気中の酸素濃度が低下するとＮＯX吸収剤９からＮＯXが放出されることになる。
【００２１】
一方、流入排気中に還元剤や未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素Ｏ2-またはＯ2-と反応して酸化され、排気中の酸素を消費して排気中の酸素濃度を低下させる。また、排気中の酸素濃度低下によりＮＯX吸収剤９から放出されたＮＯ2はＨＣ、ＣＯと反応して還元され、Ｎ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等を生成する。従って、ＨＣ、ＣＯ成分により白金Ｐt の表面上でＮＯ2が還元されると、吸収剤から次から次へとＮＯ2が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ成分と反応するようになる。
【００２２】
すなわち、ＮＯX吸収剤９はリーン空燃比時に流入する排気中のＮＯXを除去し、リッチ空燃比時には吸収したＮＯXを放出するとともに、流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分と反応させる作用を行う。つまり、ＮＯX吸収剤は排気中のＨＣ、ＣＯ成分とＮＯX成分とを同時に浄化することができる。
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００２３】
本実施形態では、ディーゼルエンジン１が使用されるため通常運転中の排気空燃比はかなりリーンになっている（例えば空燃比で３０程度）。また、エンジン出口での排気には少量のＮＯX（主にＮＯ）と比較的多量の煤が含まれている。  この排気は、まず酸化触媒５を通過し、排気中のＮＯが酸化され、
２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2
の反応によりＮＯ2が生成される。
【００２４】
次いで、この排気はＤＰＦ７に流入し、排気中の煤がＤＰＦに捕集される。ＤＰＦに捕集された煤は、一部が上記により生成されたＮＯ2と反応し、
ＮＯ2＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ
の反応を生じＣＯとＮＯとが発生する。しかし、エンジンで発生するＮＯの量に較べて煤の量が多いこと、及びディーゼルエンジンの通常運転時の排気温度が低く（例えば２００℃程度）、実際には上記反応があまり生じないことから、ＤＰＦ７上には捕集された煤が徐々に蓄積される。一方、上記反応により生成したＮＯと、煤と反応せずにＤＰＦ７を通過したＮＯ2とを含む排気は、次にＮＯX吸収剤９に流入する。通常運転時では、ディーゼルエンジン１の排気空燃比はリーンであるため、この排気中のＮＯ、ＮＯ2はＮＯX吸収剤９に吸収され排気から除去される。これにより、通常運転時には排気は煤とＮＯXとをほとんど含まない状態でＮＯX吸収剤９から排出される。
【００２５】
上述のように、通常運転時エンジン排気中の煤はＤＰＦ７により、ＮＯX（ＮＯ、ＮＯ2）はＮＯX吸収剤９により、それぞれ除去されるが、これによりＤＰＦ７には煤が、また、ＮＯX吸収剤９にはＮＯXが徐々に蓄積される。ＤＰＦ７に蓄積された煤の量が増大するとＤＰＦ７での排気圧損が上昇するため、排気背圧の増大によりエンジン出力の低下等の問題が生じる。また、ＮＯX吸収剤９に蓄積されたＮＯX量が増大するとＮＯX吸収剤９のＮＯX吸収能力は低下し、大気に放出されるＮＯXの量が増大する問題が生じる。
【００２６】
そこで、本実施形態では定期的にＮＯX吸収剤９から吸収したＮＯXを放出させ、ＮＯX吸収能力を回復させる操作（「ＮＯX吸収剤の再生操作」という）と、ＤＰＦ７に捕集された煤を燃焼させて圧損を低減させる操作（ＤＰＦの再生操作）とを行う。
まず、ＮＯX吸収剤９の再生操作について説明する。本実施形態では、運転中に、エンジン排気空燃比を短時間理論空燃比よりリッチ側にすることにより、ＮＯX吸収剤９の再生を行う。エンジン排気空燃比がリッチになると排気中の酸素濃度が急激に低下し、かつ排気中のＨＣ、ＣＯ成分の量が増大する。また、排気空燃比がリッチであるためこれらＨＣ、ＣＯ成分は酸化触媒５では酸化されず、その大部分が酸化触媒５とＤＰＦ７とを通過してＮＯX吸収剤９に到達する。このため、前述したようにＮＯX吸収剤９からはＮＯXが放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化される。
【００２７】
本実施形態では、ＥＣＵ２０はＮＯX吸収剤９再生時にエンジン１の燃料噴射弁４から各気筒の１サイクル当たり２回の燃料噴射を行うことによりエンジンの排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する。通常運転中、各気筒からの燃料噴射量ＴＡＵは機関負荷に応じて設定されている。例えば、通常運転時、ＥＣＵ２０は機関アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）と機関回転数とから、予め定めた関係に基づいて燃料噴射量を算出し、算出した量の燃料を燃料噴射弁４から各気筒の圧縮行程後期に気筒内に噴射する。通常時には、この燃料噴射により機関空燃比は大幅なリーン（例えば空燃比で３０程度）に維持されている。エンジン排気空燃比をリッチにするためには、この圧縮行程後期の燃料噴射量を増量することも考えられる。しかし、圧縮行程後期に気筒内に噴射する燃料量を増大すると、燃料の増量分だけエンジン出力トルクが上昇してしまい、トルクの急増によるショックや爆発力の増大によるエンジン耐久性の低下等の問題が生じる。
【００２８】
このため、本実施形態では、排気空燃比をリッチに移行させる場合には通常の圧縮行程後期燃料噴射に加えて、各気筒の排気行程に再度燃料噴射弁４から燃料噴射を行うようにしている。排気行程中に気筒内に噴射された燃料は、その一部は気筒内で燃焼するものの機関の出力増大には寄与しない。また、燃焼しなかった大部分の燃料は気筒内で気化して排気とともに排気通路に排出され、酸化触媒５で酸化され、多量のＨＣ、ＣＯ成分を発生する。このため、ＮＯX吸収剤９には酸素濃度が低く、多量のＨＣ、ＣＯ成分を含む排気が流入することになり、短時間でＮＯX吸収剤９の再生が完了する。
【００２９】
なお、ＮＯX吸収剤９からのＮＯX放出速度は排気空燃比がリッチであるほど大きくなる。このため、排気空燃比のリッチの程度が大きいほど（排気空燃比を低くするほど）ＮＯX吸収剤９の再生を短時間で完了させることができる。また、再生操作はＮＯX吸収剤９に吸収されたＮＯX量が少ないほど短時間で完了する。本実施形態では、エンジン運転中にＮＯX吸収剤９の再生操作を数十秒から数分程度の間隔で行い、ＮＯX吸収剤９再生時には０．５秒程度の時間排気空燃比を１３程度のリッチ空燃比に維持するようにしている。
【００３０】
次に、ＤＰＦ７の再生操作について説明する。本実施形態では前述したように排気中のＮＯ2とＤＰＦに堆積した煤（カーボン）とを反応させて煤を燃焼させる。また、このときに発生するＮＯ成分をＤＰＦ７下流側のＮＯX吸収剤９に吸収させて大気への放出を防止する必要がある。このため、ＤＰＦ７の再生時には、排気空燃比がリーンとなっていることが必要となる。また、ＮＯ2と煤との反応を促進するためには、排気温度は高い方が好ましい。そこで、本実施形態では排気空燃比がリッチにならない範囲で、ＮＯX吸収剤９の再生時と同様、通常の圧縮行程後期の噴射に加えて排気行程での燃料噴射を行い、この燃料を酸化触媒５で燃焼させることにより排気温度を上昇させる。また、排気温度を上昇させるため、ＤＰＦ７再生時には吸気通路２の吸気絞り弁６を一定開度まで閉弁し、吸入空気量を低減するとともに、必要に応じて酸化触媒５の電気ヒータ５ａに通電を行う。吸気絞りにより、機関排気温度が上昇し、さらに排気行程中に噴射された燃料が酸化触媒５で燃焼するため、ＤＰＦ７には通常より高い温度（例えば４００℃から５００℃程度）の排気が流入することになる。このため、排気中のＮＯ2はＤＰＦ７に堆積した煤と容易に反応し、煤が燃焼して除去されるためＤＰＦ７の圧損が低下する。また、ＤＰＦ７を通過する排気は、全体としてまだリーン空燃比であるため、ＮＯ2と煤との反応により発生したＮＯは、下流側のＮＯX吸収剤９により吸収され、排気から除去される。
【００３１】
本実施形態では、ＤＰＦ７の再生操作は数十分から数時間の間隔で行い、再生時の空燃比は２０程度のリーン空燃比に維持される。また、このときＤＰＦ７の再生は数分程度で完了する。
なお、前述したようにＮＯX吸収剤９の再生操作は数十秒から数分の間隔で実行されるが、本実施形態ではＤＰＦ７の再生操作中も、ＮＯX吸収剤９の再生操作のタイミングになった場合には、吸気絞り弁６を閉弁したままで排気行程時の燃料噴射量を増大し排気空燃比を１３まで低下させる。これにより、ＤＰＦ７再生操作中は、通常のＮＯX吸収剤９再生操作に加えて、通常より高い排気温度で再生操作が実行されるようになる。このように、ＤＰＦ７再生操作実行中もＮＯX吸収剤９の再生を行うのは、以下の理由による。
【００３２】
エンジン排気中にはディーゼル燃料に含まれる硫黄分により発生するＳＯ2が含まれる。このＳＯ2は酸化触媒５で酸化されてサルフェートＳＯ3を生成する。このサルフェートＳＯ3はＤＰＦ７では捕集されず、そのままＤＰＦを通過してしまい、排気中の微粒子として検出される。このため、ディーゼルエンジン１の排気通路３に酸化触媒５を配置すると、大気に放出される微粒子（ディーゼルパティキュレート）の量が増大する。ところが、サルフェートＳＯ3はＮＯX吸収剤９を通過する際に、ＮＯの吸収と全く同じメカニズムで硫酸イオンＳＯ４  ２−を生成し、例えばＢａＳＯ4等の硫酸塩の形でＮＯX吸収剤９に吸収される。このため本実施形態のようにＤＰＦ７下流側にＮＯX吸収剤９を設けることにより、ＮＯXのみならず、酸化触媒５で生成したサルフェートＳＯ3を排気から除去することができる。すなわち、本実施形態ではＮＯX吸収剤９をＤＰＦ７下流側に配置したことにより、ＤＰＦ上に堆積した煤の燃焼時のＮＯだけでなくサルフェートＳＯ3をも同時に浄化することができる。
【００３３】
また、ＮＯX吸収剤内に吸収されたＳＯXは、排気空燃比がリッチになったときにＮＯXの放出と同じメカニズムによりＳＯ2として放出される。
ところが、一般にサルフェートによりＮＯX吸収剤内に生成される硫酸塩はＮＯXにより生成される硝酸塩より安定であり、通常のＮＯX吸収剤の再生操作に必要とされる温度より高い温度にならないとＮＯX吸収剤から放出されない。このため、単に排気空燃比をリッチにするだけの通常のＮＯX吸収剤再生操作を繰り返していると、ＮＯX吸収剤内の硫酸塩の量が増大しＮＯX吸収剤のＮＯXとＳＯ3との吸収能力が低下してしまう。そこで、本実施例では、ＤＰＦ再生操作中にＮＯX吸収剤の再生を実行することにより、通常より高い温度でＮＯX吸収剤の再生を行い、吸収されたＳＯ3をＳＯ2の形で放出させるようにしている。これにより、ＤＰＦ７の再生操作中に、ＮＯXのみならずＳＯ3をもＮＯX吸収剤９から放出させることが可能となり、ＮＯX吸収剤の吸収能力を常に高く維持することが可能となる。
【００３４】
次に、図２から図４を用いて、上記ＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生制御について説明する。
図２から図４は、本実施形態のＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行される。
【００３５】
図２においてルーチンがスタートすると、ステップ２０１ではフラグＡＤＰＦの値が１にセットされているか否かが判断される。ここで、フラグＡＤＰＦはＤＰＦ７の再生操作実行フラグであり、ＤＰＦの再生操作実行条件が成立した場合に後述する図３のルーチンで１に設定される。ステップ２０１でＡＤＰＦ＝１であった場合には、ＤＰＦの再生操作を実行するため、ステップ２０３に進み吸気通路２の絞り弁６が所定開度まで閉弁されるとともに、酸化触媒５のヒータ５ａがオンにされる。
【００３６】
ステップ２０３実行後、ついでステップ２０５では別のフラグＡＮＯＸの値が１にセットされているか否かが判定される。ここで、ＡＮＯＸはＮＯX吸収剤９の再生操作実行フラグであり、ＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立した場合に、後述する図３のルーチンで１に設定される。
ステップ２０５でＡＮＯＸ≠１、すなわちＤＰＦの再生操作実行条件が成立しており、且つＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立していない場合には、ルーチンはステップ２０７に進み、機関回転数、アクセル開度に基づいて燃料噴射量料ＴＡＵ２１の値が算出される。ここで、ＴＡＵ２１は、通常の燃料噴射に加えて排気行程時に気筒内に噴射される燃料量であり、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側の所定値（例えば空燃比で２０程度）とするのに必要とされる燃料噴射量である。すなわち、ステップ２０７では、機関回転数から吸入空気量絞り弁６閉弁時の機関吸入空気量Ｑが算出され、アクセル開度から現在の通常時燃料噴射量ＴＡＵが算出され、排気空燃比を所定値（空燃比で２０程度）にするために必要な排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２１がＱとＴＡＵとから算出される。
【００３７】
また、ステップ２０９では排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２を、上記により算出したＴＡＵ２１の値に設定しててルーチンを終了する。
ＴＡＵ２の値がＴＡＵ２１に設定されると、別途ＥＣＵ２０により実行される燃料噴射ルーチンにより、各気筒の排気行程時にＴＡＵ２１の量の燃料が噴射され、機関には合計でＴＡＵ＋ＴＡＵ２１の量の燃料が供給されるようになり、機関排気空燃比は２０程度のリーンな値になる。
【００３８】
すなわち、この場合には吸気絞り弁６が所定開度まで閉弁され、機関に供給される燃料は通常時よりＴＡＵ２１だけ増量されることになり、ＤＰＦ７には酸化触媒５で生成した比較的多量のＮＯ2を含む高温のリーンな排気が流入することになる。このため、ＤＰＦ７上で煤がＮＯ2と反応して燃焼し、ＤＰＦ７の再生が行われるとともに、煤の燃焼により生成されたＮＯが下流側のＮＯX吸収剤９で吸収される。
【００３９】
また、ステップ２０５でＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立している場合には、ステップ２０５の次にステップ２１５が実行され、機関回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量ＴＡＵ２２の値が算出される。ここで、ＴＡＵ２２は排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側の所定値（例えば空燃比で１３程度）とするのに必要とされる排気行程燃料噴射量である。また、ステップ２１７では、排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２の値をＴＡＵ２２に設定してルーチンを終了する。すなわち、この場合には吸気絞り弁を閉弁した状態で排気空燃比はリッチに制御される。このため、ＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９とにはＨＣ、ＣＯ成分を多量に含む高温のリッチな排気が流入することになる。この状態では排気中にはＮＯX成分とＯ2成分とはほとんど含まれないため、一時的にＤＰＦの再生操作は停止されるが、ＮＯX吸収剤９は、この高温かつリッチな排気で再生が行われるためＮＯX吸収剤７に吸収されたＮＯXのみならずＳＯ3も放出、還元浄化される。このため、ＮＯX吸収剤９のＳＯ3吸収によるＮＯX吸収能力の低下も解消され、ＮＯX吸収剤の完全な再生が行われる。
【００４０】
また、ステップ２０１でＡＤＰＦ≠１であった場合、すなわちＤＰＦ７の再生実行条件が成立していない場合には、ステップ２１１で吸気絞り弁６が全開にされるとともに、酸化触媒５のヒータ５ａがオフにされる。ついで、ステップ２１３では、ＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立しているか否かが判断され、成立している場合（ＡＮＯＸ＝１）にはステップ２１５、２１７でＴＡＵ２の値がＴＡＵ２２にセットされる。この状態では吸気絞り弁６は全開であり、かつヒータ５ａはオフになっているため、ＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９とには、比較的低温でリッチな排気が流入することになり、ＮＯX吸収剤９は再生されるものの、吸収されたＳＯXは放出されず、ＮＯXの吸収量のみが低下する。
【００４１】
また、ステップ２１３でＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立していない場合にはステップ２１９で排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２はゼロに設定される。すなわち、この場合には通常の圧縮行程燃料噴射のみが行われ、機関空燃比は大幅にリーンとなる。
すなわち、図２のルーチンでは、ＤＰＦの再生操作実行条件のみが成立した場合には、排気温度を上昇させ排気空燃比を２０程度まで低下させる操作を行う。これにより、ＤＰＦ７の再生のみが行われＤＰＦ７で発生したＮＯはＮＯX吸収剤９で吸収され、排気から除去される。
【００４２】
また、ＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との両方の再生操作実行条件が同時に成立した場合には、排気温度を上昇させた状態でさらに燃料が増量され、排気空燃比は１３程度まで低下される。これにより、ＮＯX吸収剤９は高温状態で再生操作が実行されることになり、ＮＯX吸収剤９に吸収されたＳＯ3がＳＯ2の形で放出される。
【００４３】
一方、ＤＰＦ７の再生操作実行条件が成立しておらず、ＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件のみが成立した場合には、排気空燃比のみが１３程度まで低下される。これにより、ＮＯX吸収剤９は比較的低温状態で再生が行われるため、ＮＯX吸収剤９からは吸収したＮＯXが放出、還元浄化されるものの吸収したＳＯ3が放出されるまでるは至らない。
【００４４】
図３は、ＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生操作実行条件判定ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行され、ＤＰＦ７、ＮＯX吸収剤９それぞれの再生操作実行条件が成立したときにフラグＡＤＰＦとＡＮＯＸとの値を１にセットする。
図３において、ステップ３０１から３１３はＤＰＦ７の再生操作実行フラグＡＤＰＦの設定操作を示している。本実施形態では、エンジンへの燃料供給量を積算し、この積算値が所定値以上になった場合に再生操作を実行する。エンジンからの単位時間当たりの煤の発生量はエンジンへの燃料噴射量にほぼ比例すると考えられる。一方、単位時間当たりにＤＰＦ７に捕集される煤の量は単位時間当たりのエンジンの煤発生量に比例する。このため、ＤＰＦ７に捕集された煤の総量はエンジンへの燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態ではエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にＤＰＦ７の煤捕集量が一定量を越えたと判断してＤＰＦ７の再生操作を実行するようにしている。
すなわち、図３においてルーチンがスタートすると、ステップ３０１では燃料積算カウンタＦＤの値が所定量ＦＤ0を越えたか否かが判定される。ＦＤは、後述する別の燃料積算カウンタＦＮとともに、図４に示すルーチンで積算されるカウンタである。図４のルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行され、アクセル開度ＡＣＣと機関回転数Ｎとから燃料噴射量ＴＡＵを算出し（図４ステップ４０１）、このＴＡＵを積算して、それぞれＦＤ、ＦＮとして記憶する。
【００４５】
ステップ３０１でＦＤ＞ＦＤ0であった場合にはステップ３０７から３１３で一定の時間ＤＰＦ７の再生操作実行フラグＡＤＰＦの値が１に保持される。すなわち、ステップ３０７ではカウンタＴＤの値を１カウントアップし、ステップ３１１と３１３では、カウンタＴＤの値が所定値ＴＤ0を越えるまでフラグＡＤＰＦの値を１に保持し、ＴＤ＞ＴＤ0になった場合にはステップ３１１で燃料積算カウンタＦＤの値をクリアする。これにより、次回のルーチン実行時にはステップ３０１の次にステップ３０３、３０５が実行され、カウンタＴＤがクリアされるとともに、フラグＡＤＰＦの値が０に復帰される。
【００４６】
すなわち、ステップ３０１から３１３では、燃料積算カウンタＦＤの値が所定値ＦＤ0に到達する毎に一定時間（カウンタＴＤの値がＴＤ0に到達するまでの時間）フラグＡＤＰＦの値を１に保持し、この一定時間が経過するとフラグＡＤＰＦの値を０に復帰させるとともに、カウンタＦＤの値をクリアする。これにより、エンジン運転中燃料供給量の積算値が一定量に到達する毎に図２のルーチンにより一定時間吸気絞り弁６の閉弁とヒータ５ａの通電とともに、通常の燃料噴射に加えて排気行程燃料噴射が実行され、ＤＰＦ７が再生される。
【００４７】
なお、上記燃料積算カウンタＦＤの値の判定値ＦＤ0、再生操作実行時間ＴＤ0はＤＰＦの種類、容量等により異なるため、実験等により最適値を定めることが好ましいが、本実施形態では、例えばＦＤ0は燃料供給量にして６リットル程度、ＴＤ0は１８０秒程度に設定されている。
図３、ステップ３１５から３２７はＮＯX吸収剤９の再生操作実行フラグＡＮＯＸの設定操作を示す。本実施形態では、ＤＰＦの場合と同様にエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にＮＯX吸収剤９の再生操作を行う。エンジンからのＮＯX発生量はエンジンで燃焼した燃料量に比例するため、ＤＰＦの場合と同様ＮＯX吸収剤９のＮＯX吸収量も燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態では、ＤＰＦの場合と同様に燃料供給量積算値が所定値に到達する毎にＮＯX吸収剤９の再生操作を行っている。ステップ３１５から３２７において、ＦＮは図４でカウントアップされる燃料積算カウンタ、ＴＮは積算カウンタが所定値ＦＮ0に到達する毎に一定時間ＴＮ0だけフラグＡＮＯＸの値を１に維持するためのカウンタである。ステップ３１５から３２７のステップは上述のステップ３０１から３１３のステップとほぼ同一であるため、ここでは説明を省略する。
【００４８】
ステップ３１５から３２７の実行により、ＮＯX吸収剤９のＮＯX吸収量が一定量に到達する毎に、通常の燃料噴射に加えて排気行程時燃料噴射が実行され、エンジンの排気空燃比は理論空燃比よりリッチ側に制御される。また、ＤＰＦ７の再生操作実行中であっても、ＮＯX吸収剤９の再生操作実行条件が成立するとＮＯX吸収剤９の再生が行われるため、ＤＰＦ７の再生中は通常より高温でＮＯX吸収剤９の再生が行われる。
【００４９】
なお、燃料積算カウンタＦＮの判定値ＦＮ0、ＮＯX吸収剤再生操作実行時間ＴＮ0の値はＮＯX吸収剤の種類、容量により異なるため、実際には実験等により最適な値を設定することが好ましいが、本実施形態では、例えばＦＮ0は燃料供給量にして０．２リットル程度に、またＴＮ0は０．５秒程度に設定されている。
【００５０】
図５は、上記図２から図４のルーチンによるＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生時期を示すタイミング図である。
例えば、排気量２４００ＣＣのディーゼルエンジンを回転数２０００ＲＰＭ、トルク８０ＮＭで運転した場合、ＦＤ0＝６リットルとするとＤＰＦ７の再生操作は６０分程度の時間毎に実行される。また、ＦＮ0＝０．２リットルとすると、ＮＯX吸収剤９の再生操作は２分程度の時間間隔で行われることになる（図５参照）。また、ＤＰＦ７の再生操作実行時間ＴＤ0を３分程度、ＮＯX吸収剤９の再生操作実行時間ＴＮ0を０．５秒程度に設定すると、図５に示すようにＤＰＦ７の再生操作実行中に必ず１〜２回のＮＯX吸収剤再生操作が実行されるようになる。このため、ＮＯX吸収剤９は定期的に高温状態で再生されるようになるため、通常のＮＯXの放出、還元浄化に加えてＳＯ3の放出が行われることになる。このため、ＳＯXの蓄積によりＮＯX吸収剤の吸収能力が低下することが防止される。
【００５１】
なお、上記実施形態ではＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生のため、通常の燃料噴射に加えて各気筒の排気行程時に燃料噴射を行うようにしているが、エンジン排気通路３の酸化触媒５の上流側に燃料を噴射する燃料噴射弁を設け排気通路に直接燃料を噴射するようにしても良い。
また、上記実施形態では、エンジンへの燃料供給量に基づいてＤＰＦ７の煤捕集量とＮＯX吸収剤９のＮＯX吸収量とを推定しているが、煤の捕集量やＮＯX吸収量にかかわらず一定時間毎にそれぞれＤＰＦ７とＮＯX吸収剤９との再生を行うようにして制御を簡略化することも可能である。
【００５２】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。上述の実施形態ではＤＰＦ７の下流側の排気通路に、リーン空燃比下で排気中のＮＯXを吸収し、酸素濃度低下時に吸収したＮＯXを放出、還元浄化するＮＯX吸収剤９を設けることにより、ＤＰＦ７下流側の排気中のＮＯを吸収（捕集）して排気からＮＯを除去している。これに対して、本実施形態ではＮＯX吸収剤９の代わりにリーン空燃比雰囲気下で排気中のＮＯを選択的に還元可能なＮＯX選択還元触媒を設ける点が相違している。なお、本実施形態の構成については、図１のＮＯX吸収剤９の代わりにＤＰＦ７下流側の排気通路にＮＯX選択還元触媒を配置する点のみが図１と相違しており、他の構成は図１と全く同じであるため、ここでは図示を省略する。
【００５３】
ＮＯX選択還元触媒としては、例えばゼオライトＺＳＭ−５にＣｕ等の金属をイオン交換して担持させたものが用いられる。ＮＯX選択還元触媒は排気空燃比がリーンのときに、適量のＨＣ、ＣＯ等の存在下でＮＯXをＨＣ、ＣＯと選択的に反応させることにより、排気中のＮＯXを還元してＮ2に転換する機能を有している。すなわち、ＮＯX選択還元触媒は、流入する排気中にＨＣ等の成分が存在すると、これらＨＣ成分等をゼオライトの細孔に吸着して保持し、このＨＣ成分等を用いてリーン空燃比雰囲気下で排気中のＮＯXを還元浄化する。
【００５４】
従って、ＤＰＦ７の下流側排気通路にＮＯX選択還元触媒を配置することにより、通常運転時にＤＰＦ７を通過するＮＯXやＤＰＦ再生時に煤との反応により発生する排気中のＮＯを効果的に還元浄化することが可能となる。
上述のように、ＮＯX選択還元触媒でＮＯXを浄化するためには触媒内に適量のＨＣ成分等が吸着されていることが必要とされる。
【００５５】
ところが、ディーゼルエンジンの通常運転時の排気空燃比は大幅なリーンであるため、排気中のＨＣ成分等の量は極めて少なくなる。このため、通常のリーン空燃比運転が続くと吸着されたＨＣ成分等が排気中のＮＯXの還元に消費されて選択還元触媒内のＨＣ吸着量が減少してしまい、触媒のＮＯX浄化能力が低下してしまう。これを防止するためには、リーン空燃比運転実施時には定期的にＮＯX選択還元触媒にＨＣ成分等を供給することにより、常に選択還元触媒内に適量のＨＣ成分等が保持されるようにする必要がある。このため、本実施形態においても、定期的に短時間排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側にして排気中のＨＣ、ＣＯ成分を増大させる操作を行う。すなわち、本実施形態においても、図２から図３と同様な操作を行い、排気行程噴射を実行することにより排気空燃比を短時間理論空燃比よりリッチ側に制御する。これにより、多量のＨＣ、ＣＯ成分を含む排気がＮＯX選択還元触媒に流入し、選択還元触媒内にＨＣ、ＣＯ成分が蓄積される。このため、排気空燃比がリーンに復帰した場合に、ＤＰＦ７を通過してくる排気中のＮＯ、ＮＯ2をＮＯX選択還元触媒により還元浄化することが可能となる。すなわち、ＤＰＦ下流側にＮＯX選択還元触媒を配置することにより、排気中のＮＯが大気に放出されることを防止しつつ簡易に排気中の煤を除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の排気浄化方法を実施するための装置の概略構成を説明する図である。
【図２】本発明の排気浄化方法における、ＤＰＦとＮＯX吸収剤との再生操作制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の排気浄化方法における再生操作実行条件判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】図３のルーチンに使用するカウンタの設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】図１の実施形態におけるＤＰＦ再生とＮＯX吸収剤再生とのタイミングを示すタイミング図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    ディーゼルエンジン
２    吸気通路
３    排気通路
４    燃料噴射弁
５    酸化触媒
６    吸気絞り弁
７    ＤＰＦ
９    ＮＯX吸収剤
２０    エンジン制御回路（ＥＣＵ）
【図１】
2006283766.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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